Биомембраны. Структура и функциональная роль

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Биомембраны. Структура и функциональная роль

1.1 Функции и задачи биомембран

Биомембраны выполняют двойную функцию:

1. Поддерживают целостность клетки, обособленность от окружающей среды, автономность внутреннего устройства.

2. Осуществляют постоянный обмен с окружающей средой (энергией, веществом, информацией).

Изучение биомембран важно для понимания жизнедеятельности организма в норме, для выяснения механизма патологии и для верного подхода к созданию комплекса врачебных мероприятий.

Задачи биомембран:

1. Транспорт веществ.

2. Обеспечение основных биоэнергетических процессов (синтез АТФ при окислении фосфолипидов, генерация биопотенциалов, распад АТФ при нервно-мышечной деятельности).

3. Участие во всех видах рецепции.

Различают клеточную (плазматическую) и внутриклеточные биомембраны.

1.2 Размеры, химический состав и строение биомембран

Биомембраны - надмолекулярные структуры. Их толщина очень мала (10 нм). Они представляют собой двумерные структуры.

Химический состав: липиды (40%) и белки (60%) - количественное соотношение варьирует. Биомембраны, в большинстве своём, гетерогенны. Но есть и относительно простые биомембраны. Например, белковая часть внутриклеточных мембран палочек сетчатки содержит всего один белок - родопсин.

Структурной основой биомембран являются липиды, большую часть которых составляют фосфолипиды. Общая структура фосфолипида:

1. Остаток спирта (Х).

2. Углеводные цепочки, остатки высших жирных кислот (R₁ и R₂).

3. Спирт глицерин.

4. Остаток фосфорной кислоты.

Рис. 1

Все фосфолипиды содержат полярную гидрофильную головку и два неполярных гидрофобных хвоста, следовательно, проявляют амфофильные свойства.

В 1972 году Зингер и Николсон предложили Мозаичную модель биомембран, популярную и по настоящее время. Согласно этой теории, структурной основой биомембран является двойной липидный слой, в котором гидрофобные хвосты обращены внутрь биомембран и образуют единую углеводородную фазу, а полярные головки находятся снаружи, по обе поверхности билипидного слоя. Схематически:

Рис. 2

Этот билипидный слой инкрустирован молекулами белка, которые делят на периферические и интегральные.

Периферические белки - белки, которые целиком расположены на гидрофильной части слоя, т.е. только на поверхности мембран.

Интегральные белки - белки, имеющие участки гидрофобной поверхности, они погружены на различную глубину в билипидный слой. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь и называются прошивающими.

С учётом белкового компонента, схема примет вид:

Рис. 3

1.3 Асимметрия биомембран

Как белковый, так и липидный состав биомембран неодинаков. Фосфолипидные слои отличаются относительным содержанием компонентов, а расположение белков в зависимости от слоя имеет принципиальные, качественные отличия.

Например, в плазматических мембранах к внутренней стороне примыкает больше белков-ферментов, а к наружной - больше белков узнавания и оборонительных белков.

Сравним Мозаичную модель Зингера-Николсона с «Бутербродной» моделью Даниэли и Дайсона: принцип расположения липидов одинаковый. Однако в «Бутербродной» модели все белки - гидрофилы, а, следовательно, расположены только на поверхности мембраны, по обе стороны от билипидного слоя, т.е. возникает двусторонняя симметрия. Схема «Бутербродной» модели:

Рис. 4

1.4 Силы, стабилизирующие мембранные структуры

Различают следующие силы взаимодействия:

1. Сильные (ковалентные).

2. Слабые.

Отдельная сильная связь прочнее слабой; чтобы её разрушить, необходимо приложить больше энергии. Однако кооперативный вклад слабых взаимодействий зачастую равен вкладу сильных.

Целостность биомембран поддерживается слабыми связями, а определяющую роль играют гидрофобные взаимодействия между неполярными группировками в результате отталкивания молекул воды. В биомембране они возникают между хвостами липидов, а также между хвостами липидов и интегральными белками.

Полярные головки липидов связываются с периферическими белками электростатическими силами.

1.5 Физическое строение биомембран

Физическое строение биомембран определяется свойствами билипидного слоя. А они - жидкостные. Доказательства:

1. Мембранные липиды не закреплены жёстко и постоянно меняются местами. Различают 2 вида перемещений:

1) латеральная диффузия - перемещение липидных молекул в пределах своего монослоя (в плоскости мембраны);

2) флип-флоп - перемещение из одного монослоя в другой.

Для молекул липидного слоя характерен коэффициент диффузии см²/с.

Латеральную диффузию могут совершать мембранные белки. В данном случае коэффициент будет зависеть от глубины погружения белка и вязкости среды. Для периферических белков см²/с, что соответствует вязкости оливкового масла.

2. Большинство мембранных липидов содержит двойные связи, т.е. являются ненасыщенными, с низкой температурой физиологического плавления.

3. Метод калориметрии. Микрокалориметрическими измерениями установлено, что при определённых условиях мембранно-фазовый переход соответствует плавлению липидов, т.е. температура плавления очень низка (нередко - отрицательна).

Однако мембраны не растекаются, а поддерживают объём клетки. Это становится возможным благодаря сложной пространственной структуре, напоминающей кристаллическую, характерную для твёрдых тел.

В биомембранах сочетается упорядоченность и подвижность, т.е. биомембраны находятся в жидко-кристаллическом состоянии, «белковые айсберги плавают в липидном море».

Часть белковых молекул закреплено на цитоплазматических структурах клетки микротрубочками и микрофиламентами, являющимися стабилизаторами клеточной поверхности.

1.6 Методы анализа структуры биомембран

1. Электронная микроскопия.

2. Рентгенография.

3. Спектроскопия, магнитный резонанс:

_ ЯМР - ядерно-магнитно-резонансный метод.

_ ЭПР - электронно-парамагнитно-резонансный метод.

4. Флуоресцирующая спектроскопия.

5. БЛМ - искусственные мембраны.

В организме практически нет парамагнетиков и сильно флуоресцирующих веществ, следовательно, 3-ий и 4-ый методы используются в определённой модификации: в организм вводят парамагнитные или флуоресцирующие метки и зонды.

Метка - молекула, встраивающаяся в мембрану и удерживающаяся в ней ковалентными связями.

Зонд - молекула, встраивающаяся в мембрану и удерживающаяся в ней слабыми взаимодействиями.

С помощью меток удаётся установить структуру молекул и взаимную ориентацию их частей. А с помощью зондов можно также установить вязкость - физическое состояние окружения молекул.

Недостаток данных методов - они влияют на свойства объекта.

ЯМР позволяет установить структуру молекул, подвижность отдельных группировок в них. Применяется в клинической диагностике болезней, связанных с изменением структурного состояния органов и тканей (в т.ч. онкологических). Производится сканирование (послойный просмотр участка) - ЯМР-интраскопия.

Преимущества: не оказывает вредного воздействия на организм.

Искусственные липидные мембраны (БЛМ) - получают при контакте смеси липидов, растворённых в органике с водой. Различают плоские и сферические (везикулярные) искусственные мембраны. Они также имеют 2-х-слойное строение. Физические свойства БЛМ близки к свойствам биомембран (толщина, электроёмкость). Но БЛМ не обладают метаболической активностью, так как не имеют в своём составе белков. Применяются для изучения проницаемости и транспорта веществ.

Многослойные везикулярные мембраны (липосомы) - замкнутые частицы, образованные рядами концентрических билипидных слоёв, раздёлённых водным пространством. Толщина каждого билипидного слоя в 3-4 раза больше, чем у водной прослойки. Диаметр липосомы 5-50 мкм. Используются в терапии как капсулы для доставки лекарственных препаратов в органы и ткани (липосома + антитело - транспорт к ткани-антигену). Преимущества: нетоксичны, полностью усваиваемы, способны преодолевать ряд барьеров. Схема:

Рис. 5

мембранный молекулярный бионасос

2. Биомембраны. Мембранный транспорт

2.1 Проницаемость биомембран. Виды трансмембранного переноса веществ

Проницаемость - свойство мембран пропускать различные вещества.

Селективность (избирательность) - различная проницаемость для разных соединений. У биомембран селективность высокая.

Существует два принципиально различных типа переноса вещества через мембрану:

1. Пассивный транспорт.

2. Активный транспорт.

Градиент - характеризует быстроту изменения параметра в пространстве (вдоль выбранного направления). Градиент - векторная характеристика. В биофизике принято градиент направлять от большего значения к меньшему. Пример: Г_С - градиент концентраций, Г - градиент потенциала.

Свободная энергия F - характеризует способность системы совершать работу.

Виды химических реакций:

1. Эндергонические (энтропия понижается, энергия растёт) - образование пептидной связи при биосинтезе белка.

2. Экзергонические (энтропия увеличивается, энергия уменьшается) - гидролиз АТФ.

Пассивный транспорт - перемещение вещества по концентрационному и электрическому градиентам.

Характерные черты (критерии):

1. Работы против внешних сил не совершается, следовательно, энергия метаболических процессов не расходуется.

2. Градиенты уменьшаются, свободная энергия системы падает.

3. Возможен перенос вещества в обоих направлениях: как в клетку, так и из клетки.

4. Свойственен любым мембранам (как биологическим, так и искусственным, но селективность у биологических выше).

Активный транспорт - перенос против градиента, концентрационного или электрического.

Характерные черты (критерии):

1. Требует дополнительной затраты энергии (её поставляют экзергонические реакции).

2. Градиенты увеличиваются, свободная энергия возрастает.

3. Молекулярные системы характеризуются векторностью (строгой направленностью).

4. Свойственен лишь биомембранам.

2.2 Пассивный мембранный транспорт: способы и математическое описание

Пассивный перенос растворённого вещества осуществляется путём диффузии, а растворителя - путём осмоса и фильтрации (физический смысл - диффузия).

Диффузия - самопроизвольное перемещение вещества по его концентрационному или электрическому градиенту за счёт хаотического теплового движения его молекул (ионов).

Диффузия в растворе нейтральных молекул описывается уравнением Фика:

,

где m - масса вещества

t - время

D - коэффициент диффузии (зависит от свойств переносимого вещества)

С - концентрация вещества

S - площадь поверхности, через которую идёт перенос

«-» показывает, что градиент концентрации уменьшается.

- плотность потока вещества - масса вещества, переносимая в единицу времени через единицу площади мембраны.

- плотность потока вещества пропорциональна градиенту его концентрации.

Диффузия через мембрану нейтральных молекул:

b - толщина мембраны

С₁ < С₂ - концентрации переносимого вещества

Рис. 7

Заменим коэффициент D, зависящий от свойств субстрата на коэффициент a, зависящий от свойств мембраны:



Р - коэффициент проницаемости, зависящий от свойств мембраны.

Диффузия через мембрану ионов:

Пусть [пси] - безразмерный потенциал,

,

где - разность потенциалов через мембрану, мембранный потенциал [В]

Z - заряд переносимого иона [элементарные единицы]

F - число Фарадея = 9,65*10⁷ Кл/кмоль

R - универсальная газовая постоянная

T - абсолютная температура [К].

2.3 Молекулярные механизмы пассивного мембранного транспорта.

Рис. 8 Способ передачи зависит от полярности молекул вещества

Простая диффузия (неопосредованный перенос):

o молекула весь процесс переноса находится в первоначальной свободной форме;

o скорость зависит от концентрации переносимого вещества (субстрата).

Облегчённая диффузия (опосредованный перенос):

o через мембрану перемещается комплекс субстрата с веществом - переносчиком;

o скорость переноса при некоторой концентрации субстрата достигает предельной величины (насыщение всех участков связывания субстрата системой переноса).

Рис. 9

Сквозные каналы имеют белковую природу, их стенки выстланы полярными группировками. Диссоциация, адсорбция ионов из раствора приводит к появлению на внутренней поверхности каналов фиксированных зарядов, преимущественно отрицательных.

Факторы, лимитирующие проникновение веществ через каналы:

1. Величина молекул (ионов). Мембрана - «молекулярное сито» для полярных соединений.

2. Наличие и знак заряда. Проницаемость для катионов выше.

Больше всего проницаемость для небольших и электронейтральных молекул воды. Причём для воды существует дополнительный, особый механизм проникновения через подвижные поры липидной природы.

Мембранные липиды могут находится в двух основных пространственных конфигурациях - конформациях:

1. С полностью вытянутыми углеводородными хвостами - транс-конформация



Рис. 10

2. С частично свёрнутыми углеводородными хвостами - гош-конформация. Рядом с гош-изомерами в мембране образуются свободные объёмы - кинки.

Рис. 11

Кинки могут перемещаться через мембрану при движении хвостов и самих липидов. Вода попадает в них и мигрирует вместе с ними.

При облегчённой диффузии: специфический переносчик - компонент мембраны, имеющий центр связывания субстрата. Варианты:

o Подвижный переносчик, растворимый в липидной фазе. Перенос идёт путём диффузии комплекса «ПВ» - питательное вещество.

o Фиксированный переносчик, способный к конформационным перестройкам (белок). Перенос путём изменения конформации переносчика при связывании с субстратом.

Эстафетная передача - молекулы интегральных белков передают субстрат друг другу как эстафетную палочку.

2.4 Активный мембранный транспорт. Характеристика бионасосов

В основе активного транспорта лежит сопряжение противоградиентных потоков вещества с гидролизом АТФ.

Молекулярный механизм, локализованный в мембране и способный транспортировать вещества за счёт энергии гидролиза АТФ, называется биологическим насосом.

В природе только ионные насосы:

1. Калий - натриевый насос (Натриевый) (действует во всех клетках животных, локализуется в плазматической мембране и при гидролизе 1 АТФ производит обмен 3 ионов внутриклеточного натрия на 2 иона внеклеточного калия). Свойства:

a. Создаёт и поддерживает неравномерное распределение ионов натрия и калия между клеткой и средой. Концентрация калия в живых клетках на порядок выше, чем во внешней среде, а для ионов натрия - наоборот.

b. Электрогенен - способствует зарядке внутренней поверхности мембраны отрицательно относительно внешней.

2. Кальциевый (действует в мышечных клетках животных, располагается в мембранах саркоплазматического ретикулума, транспортирует внутрь цистерн ретикулума два иона кальция при гидролизе одной молекулы АТФ, тем самым понижает концентрацию кальция в саркоплазме и обеспечивает нормальную работу мышечных белков).

3. Протонный (функционирует во всём биологическом мире, но у высших животных - в режиме генератора: синтезирует АТФ за счёт энергии трансмембранного переноса ионов водорода по их градиентам, возникающим при работе дыхательной цепи митохондрий).

2.5 Молекулярная организация и этапы работы калий-натриевого насоса

В основе устройства лежит фермент: калий, натрий - активируемая АТ-фаза.

Функциональная единица состоит из 2-х полипептидных цепей: и - субъединиц. < и пересекает мембрану 1 раз. Одна концевая часть - в цитоплазме, другая - во внешней среде.

пересекает мембрану 10 раз и образует несколько цепей. Оба конца находятся в цитоплазме. - субъединица имеет центры связывания ионов натрия и калия, а также фосфата, отщеплённого от АТФ.

Связывание ионов происходит в петле между 2-ой и 3-ей спиралями цепи, а фосфата - между 4-ой и 5-ой спиралями.

- субъединица не содержит центров связывания и обеспечивает правильную ориентацию - субъединиц в пространстве.

Вместе обе субъединицы образуют компактную глобулу - протомер. При гидролизе АТФ четыре протомера взаимодействуют, объединяясь в олигомерный комплекс.

В основе работы фермента в качестве насоса - его способность к изменению конформаций. Их две:

Е₁ - исходная конформация - фермент способен взаимодействовать с АТФ и ионами натрия с внутренней стороны мембраны. Его активные центры связывают и удерживают ионы натрия и терминальный фосфат АТФ.

Переход в конформацию Е₂ состоит в перемещении отдельных частей белковой глобулы и перестройке ионных центров. В результате петля, содержащая ионный центр связывания оказывается не в цитоплазме, а внутри мембраны, между спиралями 2 и 3, причём сам центр обращён наружу, во внеклеточную среду. Структура и свойства этого центра меняются: он теряет способность удерживать натрий и приобретает высокое сродство к калию.

Минимуму свободной энергии отвечает исходная конформация Е₁, поэтому переход в конформацию Е₂ требует дополнительной энергии, а обратное превращение осуществляется самопроизвольно.

Работа насоса осуществляется в 5 стадий:

1. Фосфорилирование фермента за счёт внутриклеточной АТФ. Активаторы - внутриклеточные ионы натрия.

2. Изменение конформации фермента за счёт энергии макроэргической связи и первый противоградиентный перенос ионов натрия.

3. Ионообмен: ионы натрия (3) высвобождаются и уходят в среду, а ионы калия (2) связываются на наружной стороне мембраны с активным центром.

4. Обратное изменение конформации и второй противоградиентный перенос ионов калия.

5. Завершение гидролиза АТФ: фосфат и ионы калия высвобождаются в цитоплазму, фермент возвращается в исходное свободное состояние и готов к следующему циклу работы.

2.6 Сопряжённый активный транспорт

ПВ - питательное вещество, ПМ - продукт метаболизма.

Активный транспорт любых веществ сопряжён с ионным транспортом. Различают:

1. Симпорт - совместный однонаправленный перенос.

2. Антипорт - совместный противоположно направленный перенос.

В основе сопряжённого активного транспорта - наличие ионных градиентов, созданных насосами. Энергия АТФ тратится именно на создание градиентов, поэтому ионный активный транспорт называют первичным, сопряжённый - вторичным.

Распространённый вид сопряжения - сопряжение на переносчике. При этом происходит пассивный перенос ионов натрия и активный перенос ПВ или ПМ.

Переносчиками являются пермеазы - мембранные прошивающие белки, имеющие 2 центра связывания:

1. с ионом натрия

2. с ПВ или ПМ.

Схема: связывание с субстратом => изменение конформации => перенос (ионов натрия с ПВ - Симпорт, а с ПМ - антипорт)

Размещено на Allbest.ru

...